摘要 山區(qū)工程結(jié)構(gòu)的落石沖擊災(zāi)害問題顯著，耗能緩沖防護(hù)結(jié)構(gòu)能有效減小沖擊災(zāi)害。針對橋墩的沖擊防護(hù)，設(shè)計(jì)了型鋼?泡沫板、型鋼?混凝土和泡沫板?混凝土三種耗能緩沖結(jié)構(gòu)，通過對三種防護(hù)結(jié)構(gòu)在落石沖擊下的破壞模式及試驗(yàn)動力響應(yīng)過程分析，揭示剛?cè)岑B層沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)的耗能緩沖機(jī)理。試驗(yàn)結(jié)果表明：利用剛性外層可將沖擊能量有效擴(kuò)散至內(nèi)部柔性緩沖層，充分發(fā)揮剛?cè)釋拥暮哪芗熬彌_性能；混凝土泡沫板防護(hù)結(jié)構(gòu)綜合性能最優(yōu)，對比無防護(hù)結(jié)構(gòu)，其可使落石沖擊鋼筋混凝土試驗(yàn)板的沖擊持續(xù)時(shí)間延長9～10倍，平均沖擊力減至無防護(hù)結(jié)構(gòu)的1/10以下，具有良好的耗能緩沖性能。

關(guān)鍵詞 剛?cè)岑B層防護(hù)結(jié)構(gòu); 橋墩; 落石沖擊; 耗能緩沖; 動態(tài)沖擊試驗(yàn)

1 概 述

落石災(zāi)害是山地常見的一種地質(zhì)災(zāi)害，具有突發(fā)性強(qiáng)，破壞后果嚴(yán)重等特點(diǎn)，對生命線工程危害極大［1］。近年來，落石災(zāi)害在中國發(fā)生的頻率與規(guī)模均急速大幅上升，隨著“一帶一路”國家戰(zhàn)略的實(shí)施，交通基礎(chǔ)設(shè)施的大量修建及線路橋隧比的增大，對山區(qū)橋梁工程進(jìn)行落石沖擊防護(hù)已刻不容緩。橋墩作為橋梁工程的關(guān)鍵構(gòu)件，遭受落石沖擊破壞后，將導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)失效，交通生命線中斷，甚至人員傷亡。山區(qū)橋墩落石致災(zāi)典型案例如圖1所示：2009年“7.25”徹底關(guān)大橋8#橋墩被崩塌落石擊中后瞬間折斷，兩跨梁體脫落，7車墜毀6死12傷；2020年“9.20”姚河壩大橋右幅橋1#橋墩被落石擊中，橋墩和兩跨T梁相繼垮塌，2#橋墩剪切破壞，致使雅西高速雙向交通及大橋下方的國道108線中斷。因此，山區(qū)橋梁沖擊防護(hù)研究的重點(diǎn)是橋墩防護(hù)。

隨著新型材料的出現(xiàn)以及各種工程防護(hù)裝置的靈活應(yīng)用，工程技術(shù)人員針對防護(hù)對象開發(fā)了多種新型落石沖擊防護(hù)體系，柔性防護(hù)技術(shù)在邊坡防護(hù)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［2?5］，基于新型緩沖材料墊層［6?10］和組合結(jié)構(gòu)［11?16］的落石沖擊防護(hù)成為研究熱點(diǎn)。為了減輕沖擊作用對橋墩的破壞，通常采用在橋墩外包裹緩沖材料或設(shè)置防撞體系等方法，通過延長落石沖擊時(shí)間而降低沖擊效應(yīng)，轉(zhuǎn)移消散沖擊能量等途徑，減輕沖擊作用對橋墩的破壞。采用防護(hù)墊層對結(jié)構(gòu)遭受沖擊有一定的保護(hù)作用。然而，柔性墊層結(jié)構(gòu)在落石沖擊作用下，沖擊接觸屬于點(diǎn)接觸，受到墊層結(jié)構(gòu)厚度的限制，防護(hù)墊層結(jié)構(gòu)的緩沖性能難以充分發(fā)揮。為了改善防護(hù)墊層結(jié)構(gòu)的緩沖性能，可通過增加剛性防護(hù)面層使點(diǎn)接觸轉(zhuǎn)化為面接觸，從而有效提高緩沖材料的利用率。項(xiàng)目組在前期研究中發(fā)現(xiàn)泡沫夾心鋼筋混凝土板具有較好的抗沖擊性能，將其應(yīng)用于橋墩落石沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)，從改變或阻斷沖擊波的傳播路徑和變形耗能思想出發(fā)，即采用柔性內(nèi)芯緩沖和剛性面層防護(hù)的措施，提出剛?cè)岑B層落石沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)。

本文針對山區(qū)橋梁墩柱等豎向構(gòu)件的落石沖擊防護(hù)問題，設(shè)計(jì)幾種剛?cè)岑B層防護(hù)結(jié)構(gòu)，通過落錘沖擊試驗(yàn)，對落錘內(nèi)的動態(tài)加速度，沖擊平臺板板底動態(tài)支座反力及動態(tài)應(yīng)變等進(jìn)行分析，并與直接沖擊平臺板的破壞試驗(yàn)進(jìn)行對比，討論各種防護(hù)結(jié)構(gòu)的緩沖耗能性能。

2 沖擊試驗(yàn)設(shè)計(jì)

緩沖耗能裝置抵抗沖擊的能量吸收原則之一是，較長的行程能吸收更多的能量。而給定初始動能，沖擊作用持續(xù)時(shí)間越長，反力就越小，這就引入了“以距離換時(shí)間”的思想?？紤]綜合利用型鋼的幾何大變形耗能、混凝土板的破壞耗能、泡沫板的緩沖耗能優(yōu)勢，并基于提高緩沖層的利用率，提出剛?cè)岑B層防護(hù)結(jié)構(gòu)，分別設(shè)計(jì)了Ω型鋼?泡沫板、S型鋼?混凝土板和混凝土板?泡沫板三種耗能緩沖結(jié)構(gòu)。

落石沖擊試驗(yàn)分為四組，分別為上述三種防護(hù)結(jié)構(gòu)及一組無防護(hù)結(jié)構(gòu)的對比試驗(yàn)，以分析各種防護(hù)結(jié)構(gòu)的緩沖耗能特性及綜合防護(hù)效果。

2.1 防護(hù)結(jié)構(gòu)

防護(hù)結(jié)構(gòu)如圖2所示。型鋼?泡沫板結(jié)構(gòu)主要由Ω形鋼、XPS泡沫板、木工板組成，選用XPS泡沫板作為緩沖材料，Ω形截面的型鋼對泡沫板進(jìn)行外包保護(hù)，各型鋼之間用鋼帶進(jìn)行焊接連接，將整體組合結(jié)構(gòu)固定于試驗(yàn)平臺板上。為了減小外包鋼板局部過大的塑性變形，在XPS泡沫板與型鋼間添加一層木工板，以分散沖擊力，使內(nèi)部XPS泡沫板具有更大的利用率，如圖2（a）所示；型鋼?混凝土結(jié)構(gòu)主要由S形鋼、鋼筋混凝土板組成，利用S形鋼行程較長的塑性變形來消耗沖擊能量，選用鋼筋混凝土板作為剛性面層以分散沖擊力，如圖2（b）所示；混凝土?泡沫板結(jié)構(gòu)主要由XPS泡沫板、混凝土板組成，選用XPS泡沫板作為緩沖材料，采用素混凝土板作為剛性面層以分散沖擊力，另外增加土墊層可用于水平構(gòu)件的沖擊防護(hù)，如圖2（c）所示。

圖2中，S形鋼、Ω形鋼分別由厚度2.5 mm和3 mm的Q235薄壁鋼板冷彎制成；XPS（擠塑式聚苯乙烯）泡沫板的厚度50 mm，密度30 kg/m3；木工板厚度20 mm；土墊層厚度為200 mm（粉質(zhì)黏土的天然密度1.62 g/cm3，含水率17.31%，干密度1.32 g/cm3）；C40素混凝土防護(hù)板厚度為50 mm；鋼筋混凝土防護(hù)板的尺寸為長度800 mm、寬度800 mm、厚度50 mm，其內(nèi)部采用單層配筋，直徑8 mm、間距100 mm、鋼筋型號HPB300，具體配筋圖如2（b）所示。

2.2 試驗(yàn)方案

考慮落石沖擊能量的大小主要由沖擊高度和落石重量決定，所以試驗(yàn)時(shí)通過將100 kg的落錘提升到不同高度（6 m，12 m）后自由下落，模擬不同沖擊能量的落石。試驗(yàn)工況及其基本參數(shù)如表1所示，各工況均進(jìn)行3次試驗(yàn)，用于排除試驗(yàn)偶然性的影響；采用無防護(hù)結(jié)構(gòu)作為對比試驗(yàn)，即落錘直接沖擊平臺板的試驗(yàn)；并以小高度試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為前四組試驗(yàn)的參照。

試驗(yàn)的整個(gè)沖擊過程采用記錄速度為250幀/s的高速攝像機(jī)進(jìn)行拍攝記錄，配合內(nèi)置于落錘中的加速度傳感器、試驗(yàn)平臺板底的力傳感器和鋼筋與混凝土應(yīng)變片、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集儀及筆記本電腦得到完整的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.3 試驗(yàn)平臺

試驗(yàn)平臺由西安理工大學(xué)張俊發(fā)教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)于2013年設(shè)計(jì)搭建，后續(xù)經(jīng)過多年地不斷完善，逐步形成為專門用于各種落石沖擊試驗(yàn)的平臺。試驗(yàn)平臺主要包括試驗(yàn)塔架及落錘釋放系統(tǒng)、沖擊試驗(yàn)平臺板及其支撐系統(tǒng)、沖擊錘、攝像機(jī)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如圖3所示。試驗(yàn)采用自制的鑄鋼落錘來模擬落石，落錘的實(shí)測質(zhì)量為100 kg。試驗(yàn)采用8742A10型加速度傳感器（KISTLER公司生產(chǎn)），511F08PE 型力壓電式傳感器，BX120?100AA（100X3）型箔式電阻應(yīng)變片和BX120?3AA型電阻應(yīng)變片（分別測混凝土應(yīng)和鋼筋應(yīng)變），SIRIUS多通道動態(tài)測試系統(tǒng)（奧地利DEWESOFT公司生產(chǎn)）。

3 試驗(yàn)分析

3.1 沖擊過程

采用高速攝像機(jī)記錄試驗(yàn)沖擊過程，幾個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻畫面如圖4～6所示，其中圖4（a）為落錘初次接觸防護(hù)結(jié)構(gòu)上表面瞬間，圖4（b）為落錘下落至最低點(diǎn)瞬間，圖4（c）為落錘回彈至最高點(diǎn)瞬間，圖4（d）為落錘再次下落至防護(hù)結(jié)構(gòu)上表面瞬間。圖7～10分別為三種防護(hù)結(jié)構(gòu)及其在試驗(yàn)前后的照片。

從圖4～6可以看到，①沖擊過程中落錘均有明顯的回彈、翻滾，Ω型鋼?泡沫板結(jié)構(gòu)尤甚；底部試驗(yàn)平臺板無明顯變化。②當(dāng)落錘沖擊到Ω型鋼?泡沫板防護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，防護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯的變形，且產(chǎn)生少量的移動。③當(dāng)落錘沖擊到S型鋼?混凝土防護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，防護(hù)結(jié)構(gòu)上層混凝土層發(fā)生明顯破碎，下層S型鋼也發(fā)生明顯的變形，且整體防護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的反彈移動。除此之外，由于混凝土板與S型鋼之間缺少緊密地連接，混凝土板與S型鋼分離較為嚴(yán)重，S型鋼出現(xiàn)傾側(cè)現(xiàn)象，導(dǎo)致防護(hù)結(jié)構(gòu)的整體緩沖耗能效果降低，所以在混凝土板與S型鋼之間添加適當(dāng)?shù)倪B接裝置有利于改善本沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)的性能。④當(dāng)落錘沖擊到混凝土?泡沫板防護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，防護(hù)結(jié)構(gòu)上層粉質(zhì)黏土出現(xiàn)崩飛現(xiàn)象，且防護(hù)結(jié)構(gòu)整體出現(xiàn)反彈現(xiàn)象。

沖擊持續(xù)時(shí)間由高速攝像機(jī)的記錄速度和落錘首次回彈時(shí)刻的畫面幀數(shù)計(jì)算得出。因高速攝像機(jī)的記錄速度偏低，在沖擊持續(xù)時(shí)間很短，沖擊速度很大時(shí)，如無防護(hù)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的沖擊持續(xù)時(shí)間，則由落錘內(nèi)加速度記錄判定。統(tǒng)計(jì)各組試驗(yàn)的沖擊持續(xù)時(shí)間如表2所示。

由表2中的數(shù)據(jù)對比可知，①同種類型的防護(hù)結(jié)構(gòu)在不同沖擊能量的作用下，沖擊能量越大，沖擊持續(xù)時(shí)間越短。②在相同沖擊能量作用下，設(shè)有防護(hù)結(jié)構(gòu)可以顯著延長沖擊持續(xù)時(shí)間；S型鋼?混凝土結(jié)構(gòu)中S型鋼的數(shù)量越多，間距越短，沖擊持續(xù)時(shí)間越長；土墊層可以明顯延長沖擊持續(xù)時(shí)間。③三種防護(hù)結(jié)構(gòu)相比，施工最簡單、經(jīng)濟(jì)性最佳的素混凝土?泡沫板結(jié)構(gòu)沖擊持續(xù)時(shí)間最長。

3.2 試驗(yàn)現(xiàn)象

通過對比如圖7所示的Ω型鋼?泡沫板結(jié)構(gòu)試驗(yàn)前后Ω型鋼、XPS泡沫板及木工板的變化情況，可見：①3組試驗(yàn)的防護(hù)結(jié)構(gòu)受到落錘沖擊作用后XPS泡沫板和部分Ω型鋼產(chǎn)生了不可恢復(fù)的變形，且Ω型鋼之間的鋼帶也產(chǎn)生了部分彎曲變形；②相同沖擊能量下，防護(hù)結(jié)構(gòu)中的Ω型鋼受到落錘沖擊作用產(chǎn)生了明顯的凹陷變形，設(shè)有木工板后其凹陷半徑為16 cm，深度為8 cm，不設(shè)木工板時(shí)凹陷半徑20 cm，深度10 cm，由于木工板的存在，沖擊產(chǎn)生的凹陷半徑和深度都有明顯的減?。磺夷竟ぐ宕嬖跁r(shí)，Ω型鋼內(nèi)部的泡沫板受沖擊產(chǎn)生的變形相比沒有木工板時(shí)的變形也更為擴(kuò)散，而非沒有木工板時(shí)的過于集中的大變形。試驗(yàn)現(xiàn)象說明木工板起到了限制Ω形鋼過大凹陷變形，分散沖擊力的作用；③編號1?2?12的試驗(yàn)中，防護(hù)結(jié)構(gòu)中的Ω型鋼凹陷半徑為25 cm，深度為14 cm，同一類型的防護(hù)結(jié)構(gòu)，隨著落錘沖擊能量的增加，其整體變形也顯著增大。④3組試驗(yàn)后平臺板未發(fā)生明顯破壞，且其上、下表面混凝土也未出現(xiàn)肉眼可見的裂縫。

由以上分析可知：設(shè)有木工板的Ω型鋼?泡沫板結(jié)構(gòu)，其外層Ω型鋼首先受到?jīng)_擊作用的影響產(chǎn)生不可恢復(fù)的凹陷變形。沖擊能量通過Ω型鋼的塑性變形被消耗了一部分并傳遞給下層的木工板，木工板由于自身的韌性，能有效地將沖擊力進(jìn)行分散，使下層的XPS泡沫板可以整體受力而非沖擊點(diǎn)局部受力。XPS泡沫是中閉孔多胞材料，可以通過自身的壓縮變形延緩沖擊的時(shí)間，對沖擊能量進(jìn)行再一次消耗。不設(shè)木工板結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，沖擊力較為集中的從Ω型鋼傳遞至XPS泡沫板，從而Ω型鋼與XPS板的凹陷破壞更加嚴(yán)重且更為集中。

通過對比如圖8所示的S型鋼?混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)前后的鋼筋混凝土板與S型鋼的變化情況及圖9所示平臺板試驗(yàn)現(xiàn)象，對比可見：①3組試驗(yàn)的防護(hù)結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土板與S型鋼都產(chǎn)生了不可恢復(fù)的變形與破壞，且靠近落錘沖擊點(diǎn)的S型鋼破壞的較為嚴(yán)重。②相同沖擊能量作用下，防護(hù)結(jié)構(gòu)中的鋼筋混凝土板受到落錘沖擊作用產(chǎn)生破碎貫穿，上表面產(chǎn)生的圓形凹坑半徑為18～20 cm，下表面產(chǎn)生圓形發(fā)散形凹坑半徑為25～28 cm，板內(nèi)鋼筋彎曲但未斷裂；防護(hù)結(jié)構(gòu)中的S型鋼受到落錘沖擊作用產(chǎn)生了明顯的沖擊擠壓變形，試驗(yàn)2?2?6較2?1?6，由于S型鋼數(shù)量多且更加密集，變形高度為由5 cm變?yōu)? cm，S型鋼的變形高度有明顯的減小。③試驗(yàn)2?2?12，防護(hù)結(jié)構(gòu)的鋼筋混凝土板破碎斷裂彎折，板內(nèi)鋼筋發(fā)生斷裂，防護(hù)結(jié)構(gòu)的S型鋼相較試驗(yàn)2?2?6中產(chǎn)生更大的壓縮變形，變形高度為7 cm。可見，同一類型的防護(hù)結(jié)構(gòu)，隨著落錘沖擊能量的增加，其整體變形也顯著增大。④前兩組試驗(yàn)后平臺板沒有發(fā)生明顯的破壞，其上、下表面未出現(xiàn)肉眼可見的混凝土裂縫，第三組試驗(yàn)后，平臺板下表面出現(xiàn)細(xì)小裂縫。⑤無防護(hù)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，平臺板受到落錘直接沖擊而破壞，上表面產(chǎn)生了一個(gè)半徑為 5 cm 的圓形淺坑，且坑內(nèi)混凝土被壓實(shí)，下表面混凝土受沖擊作用而發(fā)生崩落，產(chǎn)生一半徑為45 cm 的圓形破壞面，板內(nèi)鋼筋露出，且明顯彎曲，但未發(fā)生斷裂。

由以上分析可知：S型鋼?混凝土結(jié)構(gòu)的3組試驗(yàn)中，防護(hù)結(jié)構(gòu)上層的鋼筋混凝土板首先受到?jīng)_擊作用的影響產(chǎn)生不可恢復(fù)的破碎變形，或沖擊點(diǎn)貫穿或斷裂彎折，板內(nèi)的鋼筋也發(fā)生彎曲及斷裂。沖擊能量通過鋼筋混凝土板的破碎被消耗了一部分，并更加分散地傳遞給下層的S型鋼，S型鋼受到?jīng)_擊作用的影響發(fā)生不可恢復(fù)的壓縮塑性變形，且靠近沖擊點(diǎn)的S型鋼變形最大。可見，通過S型鋼的塑性變形消耗了部分能量，使傳遞至下層沖擊平臺板的沖擊能量減小，從而保護(hù)沖擊平臺板免遭破壞。

通過對比如圖10所示的混凝土?泡沫板結(jié)構(gòu)試驗(yàn)前后的粉質(zhì)黏土層、素混凝土板及XPS泡沫板的變化情況，可以發(fā)現(xiàn)：①3組試驗(yàn)中粉質(zhì)黏土層都產(chǎn)生圓形的凹陷，素混凝土板與XPS板都產(chǎn)生了不可恢復(fù)的破碎與擠壓破壞，當(dāng)沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)不設(shè)素混凝土板時(shí)，XPS泡沫板的擠壓破壞尤為嚴(yán)重且破壞過于集中，產(chǎn)生一個(gè)集中的圓形破壞圈。②在試驗(yàn)3?2?6與3?2?12中，最上層的粉質(zhì)黏土層都產(chǎn)生了直徑為20～30 cm圓形凹陷；防護(hù)結(jié)構(gòu)中的素混凝土板產(chǎn)生開裂破壞，但并沒有產(chǎn)生如之前S型鋼?混凝土試驗(yàn)中鋼筋混凝土板表面的圓形凹坑，試驗(yàn)3?2?12較試驗(yàn)3?2?6，沖擊能量增大，素混凝土板的破裂更為嚴(yán)重且裂縫更為集中，整體裂縫在沖擊點(diǎn)呈發(fā)散狀在板面延伸；防護(hù)結(jié)構(gòu)中的XPS泡沫板產(chǎn)生了一定的破裂與擠壓變形，試驗(yàn)3?2?6沖擊能量較小，XPS泡沫板基本呈開裂狀態(tài)，并沒有產(chǎn)生過多的擠壓變形，且開裂狀態(tài)基本與上層的素混凝土板保持一致，開裂的狀態(tài)也較為分散。試驗(yàn)3?2?12沖擊能量較大，XPS泡沫板的破壞更為嚴(yán)重，不僅發(fā)生了開裂破壞，還產(chǎn)生了擠壓變形破壞，且破壞雖然呈發(fā)散狀，但相對集中。③在試驗(yàn)3?1?6中，防護(hù)結(jié)構(gòu)由于沒有素混凝土板，在受到落錘沖擊力的作用下，上層的粉質(zhì)黏土層產(chǎn)生直徑為40～50 cm的圓形凹陷；相比于試驗(yàn)3?2?6，下層的XPS泡沫板受到相同沖擊能量作用時(shí)破壞尤為嚴(yán)重，且破壞集中于沖擊點(diǎn)處；在落錘下落點(diǎn)產(chǎn)生直徑為30 cm的圓形孔洞，并且沿孔洞徑邊發(fā)散開裂。④3組試驗(yàn)后平臺板均沒有發(fā)生明顯的破壞，表面未出現(xiàn)肉眼可見的混凝土裂縫。

由以上分析可知：3組試驗(yàn)中，防護(hù)結(jié)構(gòu)上層的粉質(zhì)黏土層首先受到?jīng)_擊作用的影響產(chǎn)生如落錘形狀般的破壞孔洞，沖擊能量通過粉質(zhì)黏土層的緩沖作用消耗了一部分并傳遞給下層的素混凝土板，素混凝土板受到?jīng)_擊作用發(fā)生開裂破壞消耗了少量的沖擊能量，更重要的是作為剛性面層起到了分散沖擊力的作用，使沖擊力更均勻地分散并傳遞給下層的XPS泡沫板。傳遞至XPS泡沫板的沖擊力不再是之前的點(diǎn)沖擊，而形成了一個(gè)面沖擊，再通過XPS泡沫板的破裂及擠壓破壞消耗一部分沖擊能量后，最終傳遞到最下層的沖擊平臺板的沖擊能量很小，保護(hù)了沖擊平臺板。

3.3 加速度

落錘加速度由落錘內(nèi)部加速度傳感器采集得到，對應(yīng)加速度時(shí)程曲線如圖11所示。

由圖11可見：①從落錘接觸Ω型鋼?泡沫板結(jié)構(gòu)的Ω型鋼表面開始，加速度快速增加，過程中Ω型鋼發(fā)生塑性變形被壓縮，沖擊力通過木板傳遞到下層的XPS泡沫板上，閉孔多胞的XPS泡沫板受到?jīng)_擊作用以相對緩慢的速率逐漸壓實(shí)，此間段加速度平緩遞增，泡沫板被壓實(shí)后加速度快速減小至零。木板的存在，加速度峰值增大。②從落錘接觸S型鋼?混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋混凝土板表面開始，加速度瞬間增加至峰值，混凝土板開裂破碎，加速度又極速減小，之后沖擊力通過鋼筋混凝土板傳遞到下層的S型鋼，S型鋼受到?jīng)_擊作用產(chǎn)生塑性形變，此間段加速度逐漸減小。③試驗(yàn)3?1?6沒有素混凝土板，加速度基本經(jīng)歷兩個(gè)階段，從落錘接觸上層粉質(zhì)黏土層開始到穿過粉質(zhì)黏土層與XPS泡沫板，加速度緩慢增加，此為第一階段；當(dāng)落錘沖擊作用傳遞到?jīng)_擊平臺板上后，加速度則迅速從峰值下降至平穩(wěn)，此為第二階段；試驗(yàn)3?2?6有素混凝土板，整個(gè)過程可分為三個(gè)階段：首先，沖擊能量經(jīng)過粉質(zhì)黏土層，加速度平緩上升，此為第一階段。當(dāng)沖擊力接觸中間層的素混凝土層時(shí)，加速度開始迅速增大并到達(dá)峰值，然后由于混凝土開裂耗能加速度峰值迅速減小，此為第二階段。從沖擊力穿過混凝土板到XPS板壓縮變形，加速度逐漸減小到平穩(wěn)，此為第三階段。對比3?1?6與3?2?6可以明顯看出，由于素混凝土板的存在，加速度的峰值較前一組試驗(yàn)小，且加速度變化相對平緩。試驗(yàn)3?2?12與試驗(yàn)3?2?6加速度變化趨勢基本相同，且當(dāng)泡沫板被壓實(shí)后加速度快速增大，出現(xiàn)第二峰值且大于第一峰值。

三種防護(hù)結(jié)構(gòu)沖擊試驗(yàn)的落錘加速度分析數(shù)據(jù)如表3所示。分析時(shí)，首先將落錘視為剛體，則落錘沖擊力可按其質(zhì)量與加速度的乘積計(jì)算。其次通過在沖擊時(shí)間內(nèi)將落錘加速度進(jìn)行數(shù)值積分能夠得到此時(shí)間范圍內(nèi)落錘的沖擊速度，繼而求得平均沖擊力以及沖量，相應(yīng)計(jì)算公式如下：

式中 F為落錘的最大沖擊力或沖擊作用下平臺板產(chǎn)生的最大沖擊反力，kN；d為平臺板厚度，m；E為落錘的沖擊能量，kJ。

表3中沖擊持續(xù)時(shí)間按落錘加速度過程判定，沖擊速度由落錘加速度數(shù)據(jù)積分而得，對比可見：表3中沖擊速度與表1中由落錘高度計(jì)算的沖擊速度吻合較好，證明測試及采集系統(tǒng)所測加速度數(shù)據(jù)可信。

對比表3中設(shè)各種防護(hù)結(jié)構(gòu)與無防護(hù)結(jié)構(gòu)，可得：①由試驗(yàn)1?2?12與試驗(yàn)4?1?12對比可知，在同等沖擊能量條件下，設(shè)有型鋼?泡沫板組合結(jié)構(gòu)的落錘加速度峰值和最大沖擊力約為直接沖擊平臺板的1/6，平均沖擊力也減小到1/4～1/5，沖擊持續(xù)時(shí)間增大了4～5倍。②由試驗(yàn)2?2?12與試驗(yàn)4?1?12對比可知，落錘沖擊設(shè)有型鋼?混凝土組合結(jié)構(gòu)的平臺板，其落錘加速度峰值與最大沖擊力約為直接沖擊平臺板時(shí)的1/4，平均沖擊力約減小至直接沖擊平臺板時(shí)的1/3，沖擊持續(xù)時(shí)間增大2～3倍。③由試驗(yàn)3?2?12與試驗(yàn)4?1?12對比可知，在同等沖擊能量條件下，設(shè)有混凝土?泡沫板組合結(jié)構(gòu)的加速度峰值與最大沖擊力只有無防護(hù)時(shí)的8％到9％，沖擊持續(xù)時(shí)間提高9～10倍，平均沖擊力減至8％左右，沖擊能比系數(shù)降低80％到90％。

對比表3中設(shè)有各種防護(hù)結(jié)構(gòu)的第2組和第3組試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，隨著沖擊能量的增大，落錘沖擊過程中產(chǎn)生的沖量遞增，落錘加速度峰值和落錘產(chǎn)生的最大沖擊力亦增大，而落錘的沖擊持續(xù)時(shí)間卻縮短。由表3中各種防護(hù)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的第1組和第2組試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，第2組數(shù)據(jù)的沖擊持續(xù)時(shí)間均有效增長，說明剛性層對沖擊力的分散作用可有效發(fā)揮柔性層的緩沖性能。

由表3可知，沖擊力能比系數(shù)能夠在一定程度上反映防護(hù)結(jié)構(gòu)的緩沖效果。對于小高度的無防護(hù)結(jié)構(gòu)落錘沖擊試驗(yàn)，因落錘與平臺板間近似發(fā)生彈性碰撞，耗能比率最小，λ最大；對于大高度無防護(hù)結(jié)構(gòu)的落錘沖擊試驗(yàn)，因落錘與平臺板間發(fā)生彈塑性碰撞，板底混凝土崩落，耗能比率較小，λ較大。對于設(shè)有防護(hù)結(jié)構(gòu)情形，落錘沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)有防護(hù)結(jié)構(gòu)吸能，耗能比率最大，延長沖擊持續(xù)時(shí)間，λ最小。由各種防護(hù)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的第1組和第2組數(shù)據(jù)對比可知，第2組數(shù)據(jù)的沖擊沖擊能比系數(shù)均顯著減小，證明剛性層對沖擊力的分散作用可增強(qiáng)防護(hù)結(jié)構(gòu)緩沖效果。

3.4 支座反力

支座反力由平臺板底四角支座處的反力傳感器測得，動態(tài)反力時(shí)程如圖12所示。圖中1?1?6?1?1表示Ω型鋼泡沫板結(jié)構(gòu)?未設(shè)木工板?落錘高度6 m?第1次試驗(yàn)?1號支座動態(tài)反力。反力沖量由反力對沖擊時(shí)間積分求得，其合沖量的計(jì)算公式為：

PS=P1+P2+P3+P4 （5）

式中 P1，P2，P3，P4為每組試驗(yàn)的四個(gè)支座反力沖量值。支座反力幅值及相關(guān)數(shù)據(jù)的計(jì)算結(jié)果如表4所示。

由圖12可知：①由于試驗(yàn)存在一定的誤差，落錘的下落點(diǎn)不一定在沖擊平臺板的中心點(diǎn)，所以四個(gè)支座反力的大小、幅值及沖擊持續(xù)時(shí)間等不完全相等，不過反力時(shí)程曲線的大致趨勢相同。②Ω型鋼泡沫板結(jié)構(gòu)：從落錘下落接觸防護(hù)結(jié)構(gòu)Ω型鋼表面時(shí)，Ω型鋼發(fā)生塑性變形被壓縮，導(dǎo)致反力快速增加并達(dá)到峰值，之后沖擊力通過木板傳遞到下層的XPS泡沫板上，閉孔多胞的XPS泡沫板受到?jīng)_擊作用以相對緩慢的速率壓實(shí)，這段時(shí)間反力開始平緩遞減，最后沖擊力傳遞到平臺板上，反力迅速減小。③S型鋼混凝土結(jié)構(gòu)：落錘沖擊作用首先使鋼筋混凝土破碎，相應(yīng)消耗部分沖擊能量，與此同時(shí)也將沖擊力更加均衡地傳遞給下層的S型鋼，又經(jīng)過S型鋼的塑性變形，消耗大量能量后傳遞到?jīng)_擊平臺板上。整個(gè)過程中，經(jīng)過多次的耗能緩沖消耗作用，傳遞到平臺板上的沖擊作用力也就減小了很多。所以整個(gè)動態(tài)反力的變化趨勢是先增加到一個(gè)波峰，再減小到最終的平穩(wěn)狀態(tài)。④混凝土泡沫板結(jié)構(gòu)：由動態(tài)反力的變化趨勢可以明顯地看出整體結(jié)構(gòu)受到落錘沖擊的過程出現(xiàn)兩次波峰。當(dāng)落錘穿過粉質(zhì)黏土層沖擊素混凝土板時(shí)，反力產(chǎn)生一個(gè)峰值后開始減小，然后沖擊力產(chǎn)生的彈塑性波到達(dá)下層的XPS泡沫板，反力停止減小，隨后到達(dá)并沖擊平臺板，反力又開始增大到另一個(gè)波峰，再減小至平穩(wěn)。試驗(yàn)3?2?12較試驗(yàn)3?2?6的反力幅值稍大，可見設(shè)有此緩沖耗能防護(hù)結(jié)構(gòu)后，在一定的沖擊能量范圍內(nèi)，沖擊能量的變化對支座的反力幅值的大小影響不明顯。3?1?6試驗(yàn)的動態(tài)反力的變化趨勢與前兩組有所不同的是第一階段產(chǎn)生的波峰是沖擊力通過粉質(zhì)黏土層與XPS泡沫板后所產(chǎn)生的，所以波峰較為平緩。當(dāng)沖擊力到達(dá)沖擊平臺板時(shí)產(chǎn)生第二個(gè)波峰峰值，對應(yīng)的反力幅值相比于前兩組試驗(yàn)更大。

由表4可知：①由支座反力計(jì)算的沖擊力能比系數(shù)與前面由加速度計(jì)算的沖擊力能比系數(shù)所得結(jié)論一致。②由各工況第1組與第3組試驗(yàn)對比可知，平臺板受到的反力隨著沖擊能量的增大而增大，反力產(chǎn)生的沖量亦增大，沖擊力能比系數(shù)呈遞增趨勢。③對比試驗(yàn)4?1?12，試驗(yàn)1?2?12設(shè)有型鋼?泡沫板組合防護(hù)結(jié)構(gòu)的支座反力幅值只達(dá)到直接沖擊平臺板的1/2～1/3，合沖量也只有破壞試驗(yàn)的70％左右，沖擊力能比系數(shù)減小為50％左右。與加速度的對比相比，支座反力的數(shù)據(jù)相差較小，但是也能看出防護(hù)結(jié)構(gòu)對整體耗能的影響。④對比試驗(yàn)4?1?12，試驗(yàn)2?2?12設(shè)有型鋼?混凝土組合防護(hù)結(jié)構(gòu)的支座反力幅值只達(dá)到直接沖擊平臺板的1/9左右，合沖量也只有破壞試驗(yàn)的30％左右，沖擊力能比系數(shù)減小到25％左右?？梢缘贸鲆韵陆Y(jié)論，該防護(hù)結(jié)構(gòu)可以有效地分散落錘沖擊力，減小落錘沖擊作用下支座反力的大小。⑤對比試驗(yàn)4?1?12，試驗(yàn)3?2?12設(shè)有型鋼?混凝土組合防護(hù)結(jié)構(gòu)的支座反力幅值只達(dá)到直接沖擊平臺板的1/8～1/7，合沖量也只有破壞試驗(yàn)的60％左右，沖擊力能比系數(shù)減小到30％左右?？梢钥闯?，該防護(hù)結(jié)構(gòu)對于沖擊力的分散作用強(qiáng)于型鋼?泡沫板組合結(jié)構(gòu)，稍弱于型鋼?混凝土組合結(jié)構(gòu)。⑥對比三種防護(hù)結(jié)構(gòu)可知，混凝土板對于落錘沖擊力可以起到有效的分散作用，使得落錘沖擊作用下的平臺板的支座反力大大減小。而鋼筋混凝土板與素混凝土板相比，分散沖擊力的效果更佳。

3.5 應(yīng)變及應(yīng)變率

試驗(yàn)通過沖擊平臺板底所粘貼的鋼筋與混凝土應(yīng)變片所采集的應(yīng)變的動態(tài)變化判斷沖擊平臺板受到?jīng)_擊作用的破壞程度，相應(yīng)的應(yīng)變時(shí)程曲線如圖13所示。如圖13（b）中1?1?6?1?1?2的編號“2”是指第2個(gè)應(yīng)變片。

圖13 中工況1?1?6?1?4， 3?1?6?1?4混凝土應(yīng)變片由于所受應(yīng)力過大被破壞，其余工況應(yīng)變發(fā)生了往復(fù)波動。

假設(shè)在沖擊過程中基礎(chǔ)板內(nèi)鋼筋僅發(fā)生彈性變形，則可計(jì)算出鋼筋的最大應(yīng)力，計(jì)算公式為：

σmax=E?εmax（6）

式中 E為鋼筋的彈性模量，取為2.0×105 MPa；εmax為沖擊作用下基礎(chǔ)板內(nèi)鋼筋的最大應(yīng)變。

鋼筋與混凝土的最大應(yīng)變速率計(jì)算公式為：

式中 εi為鋼筋和混凝土應(yīng)變片在某一時(shí)間點(diǎn)的應(yīng)變大小；ti為鋼筋與混凝土應(yīng)變片產(chǎn)生應(yīng)變所對應(yīng)的時(shí)間。1～3組試驗(yàn)的鋼筋與混凝土應(yīng)變數(shù)據(jù)如表5所示。

試驗(yàn)中混凝土的最大應(yīng)變是由應(yīng)變片實(shí)測所得，最大應(yīng)力則不能根據(jù)式（6）計(jì)算，故未在表5中列出。工況4?1?12為破壞試驗(yàn)，鋼筋與混凝土應(yīng)變片在沖擊過程中均被破壞，無法確定它們的最大應(yīng)變和最大應(yīng)力，故表中亦未列出，僅列出相應(yīng)的最大應(yīng)變率。混凝土泡沫板結(jié)構(gòu)試驗(yàn)第1組、第3組由應(yīng)變換算所得鋼筋應(yīng)力均大于其屈服強(qiáng)度，故在表中亦未列出。

由表5可知：①設(shè)有Ω型鋼+泡沫板結(jié)構(gòu)和S型鋼+混凝土結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)中平臺板內(nèi)鋼筋（HRB400）的實(shí)測屈服強(qiáng)度為480 MPa，由所測應(yīng)變換算的鋼筋應(yīng)力均沒有達(dá)到其屈服強(qiáng)度，且隨著鋼筋最大應(yīng)變的減小，防護(hù)結(jié)構(gòu)緩沖性能增強(qiáng)。②設(shè)有混凝土+泡沫板結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)中，鋼筋最大應(yīng)變率的量級為 10-1～102 s-1。未設(shè)素混凝土板的防護(hù)結(jié)構(gòu)受沖擊后鋼筋的最大應(yīng)變率比設(shè)有素混凝土板的高出兩個(gè)量級，同一類型不同沖擊能量下的鋼筋最大應(yīng)變率相差三個(gè)量級，沖擊能量越大，最大應(yīng)變率越大。相比之下，混凝土的最大應(yīng)變率的數(shù)量級相差較小，為10-1～10 s-1，但也呈同樣趨勢，未設(shè)素混凝土板的沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)最大應(yīng)變率較大。③工況4?1?12為未設(shè)防護(hù)結(jié)構(gòu)的對比試驗(yàn)，鋼筋與混凝土的最大應(yīng)變率量級都達(dá)到了105 s-1，屬于高速動態(tài)應(yīng)變率（應(yīng)變率為103～105 s-1）。④設(shè)有防護(hù)結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)對比，工況1?2?12，2?2?12和3?2?12中鋼筋與混凝土的最大應(yīng)變率的量級分別為10-2～10-1，10-2～100，10-1～102 s-1，均比破壞試驗(yàn)的105 s-1數(shù)量級要小很多，都沒有達(dá)到高速動態(tài)應(yīng)變率的范圍?？梢姡N防護(hù)結(jié)構(gòu)均有效地防止了平臺板的破壞。雖然在混凝土?泡沫板組合結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的過程中，應(yīng)變記錄顯示鋼筋到達(dá)屈服狀態(tài)且基礎(chǔ)板底面出現(xiàn)細(xì)小裂紋，但防護(hù)結(jié)構(gòu)還是保證了基礎(chǔ)板整體性免受沖擊破壞，基礎(chǔ)板的混凝土并沒有出現(xiàn)崩落的情況，所以防護(hù)效果可以接受。

4 結(jié) 論

根據(jù)剛?cè)岑B層防護(hù)思路，設(shè)計(jì)了Ω型鋼?泡沫板、S型鋼?混凝土板和混凝土板?泡沫板三種耗能緩沖結(jié)構(gòu)，并通過落錘沖擊試驗(yàn)的研究結(jié)果與沖擊動力學(xué)的基礎(chǔ)知識相結(jié)合，得到以下結(jié)論：

（1）型鋼?泡沫板結(jié)構(gòu)主要通過閉孔多胞結(jié)構(gòu)XPS泡沫板的延時(shí)緩沖和Ω型鋼的塑性變形來消耗大部分沖擊能量，并通過木工板分散沖擊力，減小Ω型鋼的局部凹陷變形，同時(shí)達(dá)到減小沖擊力、延長沖擊持續(xù)時(shí)間的目的，同步實(shí)現(xiàn)延時(shí)緩沖及變形耗能的特性，保護(hù)了平臺板。與不設(shè)防護(hù)結(jié)構(gòu)相比，設(shè)有該防護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)沖擊持續(xù)時(shí)間延長了4～5倍，最大沖擊力約降至1/7，平均沖擊力減至1/5～1/4，鋼筋與混凝土的最大應(yīng)變率量級由105 s-1降至10-1～10-2 s-1。

（2）型鋼?混凝土結(jié)構(gòu)主要通過兩個(gè)階段進(jìn)行緩沖耗能，首先通過防護(hù)結(jié)構(gòu)上層的鋼筋混凝土層的破碎進(jìn)行能量消耗，并將沖擊力分散，傳遞給下層的S型鋼，S型鋼擁有較大的變形空間，通過自身的壓縮變形再次消耗一部分沖擊能量。與不設(shè)防護(hù)結(jié)構(gòu)相比，設(shè)有該防護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)沖擊持續(xù)時(shí)間延長了2～3倍，最大沖擊力約降至1/4，平均沖擊力約減至1/3，鋼筋與混凝土的最大應(yīng)變率量級由105 s-1降至10-2～100 s-1。

（3）混凝土?泡沫板結(jié)構(gòu)的緩沖耗能首先通過最上層的粉質(zhì)黏土層，粉質(zhì)黏土由于土顆粒之間天然形成孔隙，在沖擊力壓縮的過程中延長了整個(gè)沖擊過程的行駛路徑及沖擊持續(xù)時(shí)間，起到了良好的緩沖作用。當(dāng)沖擊能量穿過上層的粉質(zhì)黏土層到達(dá)中層的素混凝土板時(shí)，素混凝土板發(fā)生的破裂破壞帶走一部分能量，并將較為集中的沖擊力進(jìn)行了分散，使其更均勻地傳遞給下層的XPS泡沫板，從而使XPS泡沫板在進(jìn)行緩沖耗能作用時(shí)不再因過于集中的受力形式而整體利用面積率低下。在相對均勻的沖擊力作用下，XPS泡沫板的利用率大大提升，有效提高了結(jié)構(gòu)的緩沖耗能防護(hù)效果。與不設(shè)防護(hù)結(jié)構(gòu)相比，設(shè)有該防護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)最大沖擊力只有無防護(hù)的8％～9％，沖擊持續(xù)時(shí)間延長9～10倍，平均沖擊力減至8％左右，沖擊能比系數(shù)降低80％～90％，具有良好的緩沖耗能性能。

（4）三種防護(hù)結(jié)構(gòu)均不同程度地保護(hù)了沖擊平臺板的大范圍破壞。對比三種防護(hù)結(jié)構(gòu)，可知作為柔性層的XPS泡沫板具有良好的緩沖作用，通過自身的壓縮變形增加了落錘沖擊的行程，延長了沖擊持續(xù)時(shí)間，而作為剛性層的混凝土板能夠有效分散沖擊力，進(jìn)而充分發(fā)揮柔性層的緩沖性能，增強(qiáng)防護(hù)結(jié)構(gòu)整體緩沖效果。

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